激光光源之激光與染料激光器

1、激光

普通光源(如白熾燈、熒光燈和氙弧燈等)發出的光向四面八方發射，相干性很差。如果能量 h_v =E₂-E₁ 的外來光子照射到處于 E₂ 激發態的原子上，它就會誘導該原子從高能級 E₂ 躍遷到 低能級如基態 E₁ ，同時輻射出一個光子，這種輻射稱為受激輻射。受激輻射躍遷所產生的光子與該外來光子有著完全相同的特征，它們的頻率、位相(甚至偏振方向)、傳播方向都是一致的。這種受激輻射的發光機制有兩個明顯的特點：一是原子系統中各發光中心是相互關聯的，二是發生一次受激輻射，光子數目就增加一倍，這就是所謂的受激放大，它是形成激光的重要基礎。

假設處于基態的原子數目是 N₁，處于較高能態的原子數目是 N₂，N₁ 和 N₂ 的關系可由玻耳茲曼(Boltzmann)方程來表示： 

式中，k 為玻耳茲曼常數；T 為物質熱力學溫度；g₁、g₂ 為統計權重。在正常情況下，N₁>N₂，因此光吸收總是遠大于受激輻射。如果要使受激輻射占優勢，就必須利用某種方法(例如用光束照射工作物質或是用電能、化學能來激勵，這種過程稱為抽運或泵浦)使原子在高低兩個能級上的正常分布倒轉過來，也就是使N₂>N₁，即粒子數反轉分布。已處于粒子數反轉分布的工作物質稱為增益介質。當具備一定特征的光子通過增益介質時，受激輻射占主導地位，從而產生受激放大，即可以得到大量特征相同的光子的受激輻射。如果采用適當的方法和裝置形成一種光的受激輻射的振蕩器，就能使受激輻射以一定方式持續下去，從而獲得激光，而這種裝置則稱為激光器。

一般激光器都具有三個基本的組成部分：激勵能源（或泵浦源）、工作物質（或介質）和光學諧振腔。如下圖所示。工作物質可以是固體（如晶體、半導體、玻璃等）、液體（如有機染料的溶液）或氣體（如 N₂、CO₂、He-Ne等）；在工作物質的兩端放上一對互相平行的反射鏡就構成了光學諧振腔；激勵能源的作用是將處于低能級上的粒子泵浦高能級上去，使工作物質實現粒子數反轉分布。

激光器的種類很多。到目前為止，已發現數百種材料可以用作激光工作物質，通常根據所用的材料不同，可以把激光器分為四類：氣體激光器，如氨氮激光器、二氧化碳激光器等；固體激光 器，如紅寶石激光器等；半導體激光器（亦稱二極管激光器），如砷化鎵二極管激光器；以及染料激光器等。以下將重點介紹三種激光器，即染料激光器、二極管激光器和 OPO 激光器。這三種激光器均為波長可調諧激光器，就是它所發出的激光波長在一定范圍內可以連續地改變，因而對激光光譜分析法的研究是十分重要的。此外，根據激光器工作方式的不同，可分為脈沖（Pulsed）激光器和連續或連續 波（CW）激光器。在脈沖激光器中，泵浦和激光輸出都是脈沖式全反射鏡和部分反射鏡組成了光學諧振腔的，而在連續激光器中，二者都是連續不斷的。

2、染料激光器

染料激光器（dye laser）是目前應用最普遍的一類可調諧激光器。它的特點是增益高、效率高，輸出激光可在較寬的波段范圍內連續平穩地調諧，因而被廣泛地應用于高分辨率光譜學、激光光譜分析、同位素分離等領域。

染料激光器是以染料作為工作物質的激光器。當前能產生激光的染料已有350種以上。一般將染料溶于乙醇、苯、丙酮、水及其他溶劑中，配成10^-5?10^-3 mol/L 量級的濃度，裝入染料池中或者使其在管中循環使用，也可采用噴流的方法。

能產生激光的染料都有一個共輾雙鍵構成的生色系統。由于染 料分子的振動-轉動能級和電子能級耦合，共軸雙鍵的電子態比原子或離子的電子態的能級范圍寬很多，從而使染料激光器可調諧。 目前，染料激光器的波長可調諧范圍可達到340nm?1μm （不同波段使用不同染料，染料的品種對激光輸出波長起決定性作用），使 用倍頻器可使輸出波長進一步擴展到紫外區（即原子光譜分析最常用的波長范圍）。下表列舉數例說明染料的品種、溶液濃度和溶 劑性質對激光輸出波長的影響。

重要染料及其輸出激光的可調諧范圍弱

除上述因素外，染料溶液的溫度、激活區長度、諧振腔損 耗等對激光波長也有影響。.由此可知，要粗略地選擇染料激光 的波長可以通過選擇不同的染料、溶劑、濃度、酸度、溫度等來實現。 

但是，當需要精細地調諧和獲得窄的線寬時，就需要用有波長選擇裝置(即調諧元件)的諧振腔。常用的調諧元件有以下幾種： 光柵、棱鏡、標準具、雙折射濾波片、電控調諧元件等。上圖所示為 Hansch 染料激光器設計元件的組成示意圖，它使用一個衍射光柵來完成波長的精細調諧。